一種新型霍爾傳感器信號(hào)檢測(cè)分析儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張 穎，官洪運(yùn)，單一帆，盛 威

(東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海201620)

無(wú)刷直流電機(jī)（BLDC）應(yīng)用中，常采用霍爾傳感器來(lái)檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置，給電子換向提供依據(jù)。然而，由于制造工藝的限制，霍爾傳感器的安裝有可能會(huì)產(chǎn)生物理位置偏差，從而造成電子換向的時(shí)間發(fā)生偏差，影響電機(jī)的轉(zhuǎn)速和平穩(wěn)度。為了能檢測(cè)出這個(gè)制造工藝上的缺陷，在工業(yè)上采用了專(zhuān)用的電機(jī)檢測(cè)設(shè)備，然而這些設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大、價(jià)格昂貴。本文基于虛擬儀器架構(gòu)的設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)了一個(gè)低成本的邏輯信號(hào)檢測(cè)分析儀來(lái)檢測(cè)電機(jī)霍爾傳感器信號(hào)。

1 系統(tǒng)方案

本設(shè)計(jì)采用廉價(jià)的51單片機(jī)作為信號(hào)采集器，51單片機(jī)將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)RS232串口發(fā)送給PC，PC再對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和分析并且繪制波形。硬件部分的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

利用51單片機(jī)的P1口作為信號(hào)采樣口，可以同步采集8路邏輯信號(hào)，然后通過(guò)RS232串口，將同一時(shí)刻采集到的8路邏輯電平作為一個(gè)字節(jié)的8個(gè)bit傳送給 PC。

2 軟件部分

2.1 單片機(jī)部分

AT89S52單片機(jī)是一種低功耗高性能的CMOS 8位微控制器，其具有8 KB可擦寫(xiě)1 000次的在線可編程ISP閃存、3級(jí)程序存儲(chǔ)器加密、256 B內(nèi)部 RAM、32條可編程 I/O線、3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、8個(gè)中斷源、UART串行通道等特點(diǎn)。在AT89S52單片機(jī)上，采用P1口作為采樣口，Timer0為等待時(shí)間計(jì)時(shí)器，Timer2用于串口波特率的定時(shí)器。串行口數(shù)據(jù)通信協(xié)議是：數(shù)據(jù)傳輸速率為57 600 b/s，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無(wú)奇偶校驗(yàn)位。串行口通信初始化程序?yàn)椋?/p>

當(dāng)51單片機(jī)上電后，便開(kāi)始不停地采樣和發(fā)送數(shù)據(jù)，這類(lèi)似于計(jì)算機(jī)上的“DMA”方式。單片機(jī)的主程序流程圖如圖2所示。

圖2 單片機(jī)主程序流程圖

主程序部分代碼為：

2.2 PC部分

在PC上采用Visual Basic來(lái)編寫(xiě)串行口接收、存儲(chǔ)、分析數(shù)據(jù)的程序。借鑒了“虛擬儀器架構(gòu)”的設(shè)計(jì)思想，力求通過(guò)操作PC端軟件來(lái)完成所需要的測(cè)試功能，就像在操作自己定義、自己設(shè)計(jì)的一臺(tái)電子儀器一樣。

首先要初始化串口，必須將MSComm控件的通信特性設(shè)置為同51單片機(jī)一致方可正常通信。

串行口初始化完成后利用MSComm控件可以從串口實(shí)時(shí)的接收數(shù)據(jù)。OnComm是MSComm控件的通信事件處理函數(shù)。其串口通信的程序?yàn)椋?/p>

以上是串行口接收數(shù)據(jù)程序，PC端在接收到數(shù)據(jù)后還要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和顯示，在本系統(tǒng)中通過(guò)繪制數(shù)據(jù)采樣結(jié)果來(lái)直觀地顯示采集到的信號(hào)信息。

PC端軟件除以上功能外，還具有對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存盤(pán)和讀取歷史采樣的功能。

3 應(yīng)用實(shí)例

霍爾傳感器在無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)中起著非常重要的作用。它用于檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極的位置，為開(kāi)關(guān)電路提供正確的換相信息。若霍爾傳感器的相位產(chǎn)生偏差則會(huì)使電子換向的時(shí)間發(fā)生偏差，影響電機(jī)的轉(zhuǎn)速和平穩(wěn)度。若霍爾傳感器的相位缺相，則會(huì)使電機(jī)相電流變大和電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)增大，甚至燒毀電機(jī)。所以霍爾相位的檢測(cè)是十分重要的。

本文中將設(shè)計(jì)的邏輯信號(hào)檢測(cè)分析儀應(yīng)用在電機(jī)霍爾傳感器信號(hào)檢測(cè)上。其硬件電路如圖3所示。

無(wú)刷直流電機(jī)(BLDC)一般有3個(gè)霍爾傳感器，其產(chǎn)生的3個(gè)信號(hào)被51單片機(jī)采樣，信號(hào)通過(guò)RS232串口線被送入PC，在PC上運(yùn)行接收和分析軟件可對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行分析、顯示。將檢測(cè)電路連接好后，用手轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子，在軟件上啟動(dòng)采樣，一段時(shí)間后停止，可以得到如圖4的波形。由圖4可以看出當(dāng)BLDC的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，霍爾信號(hào)會(huì)呈現(xiàn)出一種方波的波形，并可以通過(guò)分析軟件的功能對(duì)三路霍爾信號(hào)的位置變化進(jìn)行有效的分析。

本文設(shè)計(jì)的基于虛擬儀器架構(gòu)的邏輯信號(hào)檢測(cè)分析儀充分發(fā)揮了單片機(jī)和PC機(jī)的作用，可以同步采樣8路信號(hào)，存儲(chǔ)、記錄大量的測(cè)試數(shù)據(jù)，能夠?qū)z測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的分析和圖形顯示。文中成功地將其應(yīng)用于電機(jī)霍爾傳感器信號(hào)檢測(cè)中，并取得良好的效果。由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、適用面廣、擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，可將它運(yùn)用于各種多路信號(hào)的檢測(cè)方案中。

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